软件无线电

第四章基带信号处理理论与数字基带技术课前预习4.1基带信号的调制——基于正交理论的调制，然后引出正交处理4.2解调——正交解调原理，但在正交解调中要求接收机中NCO的输出频率w0与输入信号载频同频同相。。当载波不同步时，接收机NCO产生的本地振荡信号与接受信号载波之间失配，就会影正交解调结果。4.3软件无线电的同步技术§4.3软件无线电中的同步技术在相干解调时，接收端需要提供一个与接收信号中的调制载波同频同相的相干载波。这个载波的获取称为载波提取或载波同步。载波同步是实现相干解调的先决条件。在数字通信中，我们得到的是一串连续的数字码元，所以解调的时候还需要知道码元的起始时刻以及帧的开始与结束，故还需要帧同步与位同步。本节主要讨论了一些同步技术。4.3.1载波同步载波同步的方法可以分为两类：第一类：插入导频法.（即是外同步法）发送有用信号的同时发送导频信号（极少采用）（什么时候用）第二类：直接法.从收到的信号中提取。1）平方变换法2）同相正交锁相环法3）DSP通过软件实现这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。有些信号，如DSB-SC、PSK等，它们虽然本身不直接含有载波分量，但经过某种非线性变换后，将具有载波的谐波分量，因而可从中提取出载波分量来。下面介绍几种常用的方法。1）平方变换法所谓平方变换法就是对输入信号进行平方后，获取所需的载波。原理图如下：直接法载波同步平方律部件2fS窄带滤波器二分频器信号输入载波输出平方法载波同步此方法广泛用于建立抑制载波双边带信号的载波同步。设调制信号m(t)无直流分量，则抑制载波的双边带信号为：接收端将该信号经过非线性变换——平方律器件后得到：)cos()()(ttmtsC)2cos()(21)(21)]cos()([)(222ttmtmttmteCC上式的第二项包含有载波的倍频2ωc的分量。若用一窄带滤波器将2ωc频率分量滤出，再进行二分频，就可获得所需的相干载波。2）正交锁相环法（科斯塔斯锁相环）LPFLPFVCO2环路滤波信号输入I支路Q支路科斯塔斯环原理框图V1V2V3V5V4V6Vd输出信号在此环路中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。设输入的抑制载波双边带信号为：并假定环路锁定，且不考虑噪声的影响，则VCO输出的两路互为正交的本地载波分别为式中，θ为VCO输出信号与输入已调信号载波之间的相位误差。ttmCcos)()sin()cos(21tvtvCC信号分别与v1、v2经低通滤波后分别为ttmCcos)()]2cos()[cos(21)cos(cos)(3ttmtttmvCCC)]2sin()[sin(21)sin(cos)(4ttmtttmvCCCcos)(215tmvsin)(216tmv低通滤波器应该允许m(t)通过。V5、V6相乘产生误差信号。当m(t)为矩形脉冲的双极性数字基带信号时，即使m(t)不为矩形脉冲序列，式中的可以分解为直流和交流分量。由于锁相环作为载波提取环时，其环路滤波器的带宽设计的很窄，只有m(t)中的直流分量可以通过，因此vd可写成：如果我们把图中除环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）以外的部分看成一个等效鉴相器（PD），其输出vd正是我们所需要的误差电压。2sin)(812tmvd1)(2tm)(2tm2sinddkv通过环路滤波器滤波后去控制VCO的相位和频率，最终使稳态相位误差减小到很小的数值，而Vd没有剩余频差（即频率与ωc同频）。此时VCO的输出V1=cos(ωct+θ)就是所需的同步载波，而V5=1/2m(t)cosθ≈1/2m(t)就是解调输出。4.3.2位同步位同步是指在接收端的基带信号中提取码元定时的过程。它与载波同步有一定的相似和区别。载波同步是相干解调的基础，而位同步是定时的位同步是正确取样判决的基础，只有数字通信才需要，并且不论基带传输还是频带传输都需要位同步；所提取的位同步信息是频率等于码速率的定时脉冲，相位则根据判决时信号波形决定，可能在码元中间，也可能在码元终止时刻或其他时刻。实现方法也有插入导频法（外同步法）和直接法（自同步法）。1、外同步法1）频域插入法2）时域插入法3）幅度调制法4）相干载波提取法2自同步法这一类方法是发端不专门发送导频信号，而直接从接收的数字信号中提取位同步信号。这种方法在数字通信中得到了最广泛的应用。常常通过滤波法，延迟相干法，锁相等方法实现。不归零编码NRZ信号电平的一次反转代表1，电平不变化表示0，并且在表示完一个码元后，电压不需回到0不归零制编码是效率最高的编码缺点是存在发送方和接收方的同步问题RZ编码（Return-to-zeroCode）即归零编码。在RZ编码中，正电平代表逻辑1，负电平代表逻辑0，并且，每传输完一位数据，信号返回到零电平，也就是说，信号线上会出现3种电平：正电平、负电平、零电平：从图上就可以看出来，因为每位传输之后都要归零，所以接受者只要在信号归零后采样即可，这样就不在需要单独的时钟信号。实际上，RZ编码就是相当于把时钟信号用归零编码在了数据之内。这样的信号也叫做自同步（self-clocking）信号。为什么要变成单极性码？在单极性归零码中，τ/T称为占空比．单极性归零码的主要优点是可以直接提取同步信号，因此单极性归零码常常用作其他码型提取同步信号时的过渡码型．也就是说其他适合信道传输但不能直接提取同步信号的码型，可先变换为单极性归零码，然后再提取同步信号．1）波形变换-滤波法不归零的随机二进制序列，不论是单极性还是双极性的，当P(0)=P(1)=1/2时，都没有f=1/T，2/T等线谱，因而不能直接滤出f=1/T的位同步信号分量。但是，若对该信号进行某种变换，例如，变成归零的单极性脉冲，其谱中含有f=1/T的分量，然后用窄带滤波器取出该分量，再经移相调整后就可形成位定时脉冲。这种方法的原理框图如下图所示。它的特点是先形成含有位同步信息的信号，再用滤波器将其取出。图中的波形变换电路可以用微分、整流来实现。波形变换窄带滤波移相脉冲形成基带信号滤波法原理图2）锁相法位同步锁相法的基本原理与载波同步的类似，在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的相位，若两者相位不一致（超前或滞后），鉴相器就产生误差信号去调整位同步信号的相位，直至获得准确的位同步信号为止。2、外同步1）频域插入法2）时域插入法3）幅度调制法在发射端专门发射导频信号。Of1/(2T)S(f)S(f)1/TfO(a)(b)4.32软件无线电的开环同步结构1.在传统的无线电系统中，载波同步和码位同步都是采用的模拟处理方法并通过模拟电路来实现的。缺点：2。在软件无线电系统中，接收机的信号都是数字信号，其解调和同步的实现都是采用软件编程的方式通过数字处理实现的。缺点：3.为了克服模拟处理方法和数字算法中的缺点，人们提出了没有反馈环路的前馈环，即开环结构开环结构的要求在这种开环结构中，由于没有反馈环路，载波和定时时钟的恢复就没有一个自适应的调整和跟踪过程，因此算法处理不仅要估计出误差调整的方向和趋势，还应估计出误差的绝对大小。载波相位同步通过估计频差和相差实现码位同步是通过定时估计和插值运算来实现的由于开环同步结构的要求，因此，信号参数的估计理论是软件无线电开环同步技术的理论基础。